基于物联网的大截面型钢混凝土梁施工监控

殷志坚 王东云 郏鸿韬 周益众 戴莹芝 龚安灿 李 强

1.浙江省二建建设集团有限公司 浙江 宁波 315200；2.重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074；3.温州肯恩大学 浙江 温州 325060；4.浙大宁波理工学院土木建筑工程学院 浙江 宁波 315100

型钢混凝土结构因其承载能力高、抗震性能好等优点，已越来越多地应用在大跨度、大截面以及高层建筑结构中。已有不少学者做过型钢混凝土结构的施工监控，如曾敏[1]利用现场人工采集数据的方式进行大跨度预应力型钢混凝土梁的施工监控；夏尧[2]进行过大跨度型钢混凝土梁结构现场监测。然而，针对大截面型钢混凝土梁的施工监控却少有学者研究。因大截面型钢混凝土梁的截面尺寸大，故其结构自重和施工荷载也远大于普通型钢混凝土梁。另外，大截面型钢混凝土梁钢筋及混凝土用量也会比普通型钢混凝土梁多，混凝土的连续浇捣施工强度会更大，在施工期间会存在诸多安全隐患。基于此，针对大截面型钢混凝土梁的监控和研究工作变得更加重要。但传统的结构监测方式主要是人工巡视，施工环境复杂，通过现场测试获得的实测数据有局限性，因此，目前探索这一方面的方法主要是数值模拟和理论分析。基于上述原因，为实现对大截面型钢梁的无线智能化实时监测，在工程施工时采用先进的传感装置具有十分重要的意义。

随着物联网技术的兴起，智能化监测成为可能。现在已经有不少学者利用物联网技术对工程进行智能监测。阿拉塔等[3]利用物联网对老旧砖房进行在线监测；李惠玲等[4]利用物联网对装配整体式混凝土安装过程进行动态管理；窦宏冰等[5]基于物联网提出了一种房建结构施工进度实时跟踪的方法，确保工程的完整性和关联性。

本文以温州市某项目中大截面型钢梁的施工监控为例，利用物联网技术，集成一套无线智能化实时监控系统，实时获取型钢混凝土梁的应变和位移等信息，并结合现场实测数据，实现对大截面型钢梁的施工监控。

1 工程概况

温州市某学生活动中心工程由地下1层整体地下室、地上1～6层组成。该项目总建筑面积24 498.36 m2，建筑主体为钢筋混凝土框架结构，如图1所示。本文监控研究的型钢梁位于2层多功能厅顶部，型钢采用Q345B，型钢梁混凝土采用C30混凝土。将、轴的型钢梁分别编号为A、B，如图2所示。A、B两根型钢梁净长均为18.9 m，梁沿轴线方向有2种截面形式：②—③轴梁截面尺寸为800 mm×2 750 mm，其余梁截面尺寸为800 mm×2 200 mm。由于型钢梁尺寸较大，在施工过程中易出现危险，故需要对该重要构件进行重点监测。

图1 多功能厅顶部结构平面

图2 A型钢梁立面及测点布置

2 型钢梁物联网监控系统搭建

2.1 监控方案

以图1编号为A、B的型钢梁作为研究对象，采用物联网监控系统加人工巡检的方式对其进行施工期安全保护监测。根据有关研究和相应技术规范，对图1、图2所示位置进行重点监控，监控内容包括型钢梁的应变和下挠。以A型钢梁为例，每根梁设置3处应变传感器监测位置，3个位置编号分别为A-Y1、A-Y2、A-Y3（A-Y1表示A型钢梁Y1位置，余同），编号为A的型钢梁另设1根位移传感器，以测量该梁的下挠。

2.2 监测仪器选择

型钢梁应变监测设备为基康BGK4000振弦式应变计，测量应变时精度可达0.01 με。应变计采用环氧树脂胶固定安装在型钢梁侧面梁底位置。型钢梁的下挠监测设备为基康BGK4420振弦式裂缝计，测量精度可达0.01 μm。裂缝计通过钻孔固定安装在A型钢梁跨中梁底位置，该仪器可长期在恶劣环境下进行监测。另外，仪器内部安装有场地温度自动感应装置，可实时自动记录每次场地温度的变化情况，以便对采集到的数据进行温度补偿和对异常数据信号进行处理。同时，为不影响现场的施工进展和防止工人误碰造成数据异常，不宜在型钢梁处布设过多的线缆。而现有的大部分型钢混凝土结构施工监控仍采用连接线的方法对数据进行传输，这种方法不仅费力，而且对设备的维护也较为不便。近年来，科技发展的速度越来越快，无线通信、集成电路、传感器和微机电系统（MEMS）以及数字电子学越来越成熟，这一系列的发展，使开发低功耗、小体积、低成本和多功能的无线短距离通信传感器模块成为了可能[6]。因此，将无线传感技术与土木工程相结合的方式成为结构施工监控与健康监测的热点。

基于上述情况，该监控系统以无线传感技术为依托，利用微机电系统和网关上传信号。仪器监测得到的信号通过终端向网关发送，再由网关转发至相应服务器。最终实现对大截面型钢混凝土梁状态信息的实时在线监测。为获取更多数据，计划将系统的采样频率设置为5 min/次，可以根据实际情况进行调整。该监控系统共布置了6个应变仪、1个裂缝计和1个无线网关。

2.3 监测云平台搭建

为实现对型钢混凝土结构的智能化管理，在上述提到的硬件基础上，可以通过设定的用户名、密码登录系统，查看传感器的工作状态，以便实时观察大截面型钢梁的应变和位移等数据，如图3所示。同时，该云平台具有存档、下载、比较等功能，在确保数据安全性的同时也使得监控人员对监控项目的管理更加便捷。

图3 监测云平台

2.4 型钢梁结构变形控制标准

本文施工监控的目的是实时获得大截面型钢梁应变及跨中下挠信息，然后将其与相关技术规范和工程标准给出的控制值进行比较，确定结构是否处于安全状态，为相应的施工过程控制提供可靠、实时的工程指导。在监控期间，以JGJ 138—2016《组合结构设计规范》为依据，对本文所研究的型钢梁的最大挠度进行判断，具体数值如表1所示。

表1 型钢混凝土梁挠度限值 单位：mm

3 施工期型钢梁的监控数据分析

仪器监测时间为8月28日—9月28日，共31 d。监测期间，工程先后进行了5层梁板支模架的安装、多功能厅内架的拆除、多功能厅相邻区域和所在区域的5层梁板浇筑及养护，为方便分析上部结构施工对型钢梁的影响，对型钢梁区域进行结构简化，如图4所示。由于现场安装的振弦式应变计和振弦式裂缝计的采集频率较高，加上监控时间较长，为了更直观地分析采集到的数据，故在数据记录存储后，以天为单位进行数据的处理和分析。

图4 监测前后局部结构变化

3.1 型钢梁下挠分析

从8月28日—9月28日，共31 d，对A型钢梁下挠进行了监测，并对数据进行了分析，分析结果如图5所示。

图5 A型钢梁跨中下挠变化情况

从图5可以看出：型钢梁总体呈下挠趋势。在开始监测后的一天时间里，梁下挠增大，根据现场施工情况，该区域4层自那天起开始搭设5层梁板支模架。在开始监测的15 d后，5层梁板相邻区域开始浇筑，型钢梁下挠再次明显增大。在监测的20 d后，该区域5层梁板开始浇筑，但型钢梁的下挠趋于稳定。在监测的31 d时间里，型钢梁的总下挠约为0.45 mm。根据表1中型钢梁挠度限值规定，挠度限值为l0/400 mm。这说明上部结构施工时，型钢梁会产生相应下挠，但下挠值相对于梁的跨度很小，型钢梁在上部结构施工过程中处于安全状态。

3.2 型钢梁应变分析

图6、图7分别为监测时间内A、B型钢梁应变传感器数据，图8为不同型钢梁相同位置的对比。

图6 A型钢混凝土梁应变变化情况

图7 B型钢混凝土梁应变变化情况

图8 A、B型钢梁相同位置应变对比

由图可知：在上部施工主要节点时期，型钢梁应变均会发生较大变化，在内架拆除和5层相应区域梁板浇筑时，梁端最大有45 με的应变变化，总体来说，2根梁梁端和跨中的应变变化趋势基本一致。A型钢梁监控期间Y1、Y2、Y3处应变的最大值分别为19、50、67 με，应变的最小值分别为－75、－37、－40 με；B型钢梁Y1、Y2、Y3处应变的最大值分别为25、38、90 με，应变的最小值分别为－37、－35、－40 με。通过2根型钢梁对比可以看出，在开始监测19 d之后，A-Y3处应变与B-Y3处应变大小基本一致，但A-Y1处应变与B-Y1处应变相差约40 με，两梁Y2处应变相差约10 με。另外，通过查看施工图纸了解到，A-Y1处配筋率比B-Y1处大。综合上述信息，分析Y1处应变差值较大的主要原因是型钢梁、柱节点施工时存在施工质量的差异。型钢梁中节点处大量的梁柱纵向钢筋、箍筋与型钢交叉，配筋构造复杂，容易在浇筑过程中引起梁端混凝土浇筑困难，造成浇筑质量不佳。另外，Y1位置构造比Y3位置复杂，所以Y1位置2根型钢梁应变约有40 με的应变差，而Y3位置2根型钢梁的应变相差不大。

4 结语

1）基于物联网对大截面型钢梁的实时监测数据，揭示了型钢梁的下挠和应变与上部结构施工过程存在对应关系。在31 d的监控时间内，型钢梁的总下挠约为0.45 mm，未超过规定指标。

2）采用基于物联网的无线监控系统，首次对型钢梁在上部结构施工作业时进行施工监控。结果表明：基于物联网的监控技术可实现实时监测，且具有高精度、高可靠性等特点，可有效解决人工监测费时、费力的难题。

3）通过监控数据的对比分析可为型钢梁可能出现的问题提供一定的帮助。同时，通过物联网进一步的使用，如在本施工监控系统中加入警报功能，对不正常数据进行预警，可有效避免上部结构施工造成的过大影响。